《明渠流動(dòng)》課件

明渠流動(dòng)明渠流動(dòng)是指在沒有完全封閉的渠道中流動(dòng)的液體。例如河流、溝渠和運(yùn)河等。課程背景和目標(biāo)水利工程重要組成部分明渠流動(dòng)是水利工程的重要組成部分，在水資源利用、水環(huán)境保護(hù)、水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。深入了解明渠流動(dòng)知識(shí)本課程旨在幫助學(xué)員深入了解明渠流動(dòng)的相關(guān)知識(shí)，掌握明渠流動(dòng)的基本原理、計(jì)算方法和設(shè)計(jì)技巧。什么是明渠?開放式水道明渠是指沒有頂蓋的渠道，可以用于灌溉、排水、供水等多種目的。自然河流自然河流也可以視為一種特殊的明渠，其水流受到地形的限制。人工渠道人工明渠通常由混凝土或其他材料建造，用于控制水流方向和流量。明渠的主要組成部分1渠槽渠槽是明渠的主要部分，負(fù)責(zé)引導(dǎo)和輸送水流。2渠壁渠壁是渠槽兩側(cè)的垂直或傾斜的邊壁，起到支撐和保護(hù)渠槽的作用。3渠底渠底是渠槽底部，承受水流的壓力，防止水流滲漏。4渠頂渠頂是渠槽上部的邊緣，用于防止水流溢出，確保水流安全。明渠流動(dòng)的物理原理1重力作用重力是推動(dòng)水流的主要?jiǎng)恿?，它使水流從高處流向低處?摩擦力水流在明渠內(nèi)流動(dòng)時(shí)，會(huì)受到渠壁和水分子之間的摩擦阻力，影響水流速度。3慣性力當(dāng)水流方向發(fā)生變化時(shí)，水流會(huì)受到慣性力的影響，這會(huì)導(dǎo)致水流產(chǎn)生漩渦或湍流。明渠流速的計(jì)算公式明渠流速是衡量水流速度的重要指標(biāo)，直接影響著水流的能量和沖刷力。明渠流速的計(jì)算公式主要基于能量守恒定律和動(dòng)量定理，結(jié)合明渠的幾何形狀和水流狀態(tài)。1切西公式適用于均勻流條件下的明渠流速計(jì)算2曼寧公式考慮了明渠表面粗糙度對(duì)流速的影響3謝齊公式適用于非均勻流條件下的明渠流速計(jì)算4巴歇萊公式適用于自由水面條件下的明渠流速計(jì)算影響明渠流動(dòng)的因素水力坡降水力坡降是指明渠水面沿程下降的坡度，它直接影響水流速度和流量。糙率糙率是指明渠渠壁和渠底的粗糙程度，它會(huì)影響水流的摩擦阻力，進(jìn)而影響流速。渠形明渠的形狀和尺寸也會(huì)影響水流的流動(dòng)狀態(tài)，不同的渠形會(huì)導(dǎo)致不同的水流分布和流速。流量明渠的流量是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)明渠橫截面的水量，它直接影響流速和水深。流速和流量的關(guān)系流量的定義流量是指單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)明渠斷面的水量，通常用立方米每秒（m3/s）表示。流速的影響明渠的流速是影響流量的重要因素之一，流速越大，流量也越大。斷面的影響明渠的斷面形狀和大小也會(huì)影響流量，斷面越大，流量也越大。公式關(guān)系流量Q等于流速V乘以斷面面積A，即Q=V*A。不同類型明渠的設(shè)計(jì)參數(shù)矩形明渠渠寬渠深渠底坡度梯形明渠渠底寬度邊坡系數(shù)渠深臺(tái)階明渠臺(tái)階高度臺(tái)階寬度渠底坡度弧形明渠弧形半徑渠底寬度渠深矩形明渠的設(shè)計(jì)1確定設(shè)計(jì)參數(shù)流量、水深、渠底坡度2選擇渠寬滿足水力條件和工程要求3計(jì)算水力要素流速、流量、水深4進(jìn)行穩(wěn)定性分析確保渠體穩(wěn)定5繪制設(shè)計(jì)圖明渠斷面、縱剖面圖梯形明渠的設(shè)計(jì)1確定尺寸根據(jù)流量和水深確定渠道底寬和邊坡。2計(jì)算水力半徑水力半徑影響流速和水力坡降。3確定材料選擇合適的材料滿足耐久性要求。4考慮經(jīng)濟(jì)因素綜合考慮成本、施工難度和維護(hù)成本。梯形明渠的形狀有利于減少土方開挖量，提高水流效率。設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮渠道尺寸、材料、成本和施工難度等因素。臺(tái)階明渠的設(shè)計(jì)臺(tái)階明渠的類型臺(tái)階明渠主要有兩種類型：順坡式臺(tái)階明渠和逆坡式臺(tái)階明渠。臺(tái)階高度和間距臺(tái)階高度和間距的設(shè)計(jì)需要根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整，以保證水流穩(wěn)定和防止水流沖刷。臺(tái)階形狀臺(tái)階形狀可以是矩形、梯形或曲線形，設(shè)計(jì)需要考慮水流的流態(tài)和能量損失。臺(tái)階材料臺(tái)階材料可以選擇混凝土、巖石或其他耐腐蝕材料，根據(jù)具體的工程環(huán)境進(jìn)行選擇。弧形明渠的設(shè)計(jì)11.確定截面形狀根據(jù)流量和水深確定最佳弧形形狀。22.計(jì)算水力半徑弧形截面水力半徑計(jì)算方法更復(fù)雜。33.考慮流速和水深確保水流平穩(wěn)，防止沖刷和淤積。44.設(shè)計(jì)排水設(shè)施確保雨水及時(shí)排出，避免渠內(nèi)積水?；⌒蚊髑O(shè)計(jì)需要考慮多方面因素，包括截面形狀、水力半徑、流速和水深以及排水設(shè)施等。明渠的水力跳躍現(xiàn)象明渠水力跳躍是明渠流速突然減小、水深突然增大的現(xiàn)象。它是明渠流態(tài)發(fā)生變化時(shí)，水流能量損失的主要表現(xiàn)。水力跳躍常出現(xiàn)在明渠的急流段向緩流段過(guò)渡的位置，例如在泄洪道、水閘下游等處。水力跳躍時(shí)，水流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，導(dǎo)致水深增加、流速降低。水力跳躍會(huì)產(chǎn)生較大的能量損失，并可能造成水流的沖擊和水位的波動(dòng)，因此需要采取措施避免或控制水力跳躍的發(fā)生。明渠設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)水力坡降水力坡降應(yīng)確保排水暢通，避免淤積。水力跳躍避免水力跳躍發(fā)生，確保水流穩(wěn)定。防滲漏選擇合適的材料和施工工藝，防止?jié)B漏。防腐蝕考慮環(huán)境因素，選擇防腐蝕材料。明渠防滲漏和防腐蝕措施防滲漏膜明渠防滲漏膜可防止水流滲漏，保護(hù)土壤和地下水。混凝土襯砌混凝土襯砌可提高明渠的耐腐蝕性，延長(zhǎng)使用壽命。防腐涂料防腐涂料可防止明渠表面腐蝕，延長(zhǎng)使用壽命。明渠養(yǎng)護(hù)的重要性延長(zhǎng)使用壽命定期養(yǎng)護(hù)可以延長(zhǎng)明渠的使用壽命，減少維修成本。提高運(yùn)行效率保持明渠的暢通和清潔，可以提高排水效率，減少堵塞。保障安全及時(shí)的養(yǎng)護(hù)工作可以消除安全隱患，保障人身和財(cái)產(chǎn)安全。保護(hù)環(huán)境良好的養(yǎng)護(hù)可以防止污染物排放，維護(hù)水環(huán)境質(zhì)量。明渠系統(tǒng)的規(guī)劃布局1地形分析合理利用地形，減少土方開挖量。選擇坡度適宜、排水良好的地段建設(shè)明渠系統(tǒng)。2周邊環(huán)境考慮明渠與周圍環(huán)境的關(guān)系，減少對(duì)周圍環(huán)境的影響。例如，在居民區(qū)附近建造的明渠應(yīng)該降低噪音，減少污染。3功能需求根據(jù)明渠系統(tǒng)的功能需求，確定明渠的規(guī)模、結(jié)構(gòu)和材質(zhì)。例如，用于灌溉的明渠需要足夠的水量，而用于排水系統(tǒng)的明渠則需要足夠的排水能力。明渠流量的測(cè)算明渠流量是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)明渠斷面的水量，是明渠工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。方法描述流量計(jì)利用流量計(jì)測(cè)量水流通過(guò)特定截面的速度和面積，計(jì)算流量。斷面平均流速法測(cè)量不同斷面上的流速，計(jì)算平均流速，進(jìn)而計(jì)算流量。水位觀測(cè)法根據(jù)水位變化規(guī)律，結(jié)合水力學(xué)公式，推算流量。明渠斷面的優(yōu)化設(shè)計(jì)明渠斷面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是提高明渠輸水效率，降低工程成本的關(guān)鍵。1流量需求根據(jù)實(shí)際需求確定輸水量2地形條件選擇合適的渠型和斷面形狀3水力特性優(yōu)化水力參數(shù)，降低水頭損失4經(jīng)濟(jì)因素控制工程成本，提高性價(jià)比通過(guò)合理的斷面設(shè)計(jì)，可以有效提高明渠的輸水效率，并降低工程建設(shè)和運(yùn)行成本。明渠靜水壓力的計(jì)算明渠靜水壓力是指明渠內(nèi)水體在靜止?fàn)顟B(tài)下對(duì)渠壁的壓力。靜水壓力的大小取決于水的深度和水的密度。計(jì)算明渠靜水壓力，可以使用以下公式：P=ρgh其中，P為靜水壓力，ρ為水的密度，g為重力加速度，h為水深。明渠流動(dòng)能量的計(jì)算明渠流動(dòng)能量是指水流在明渠中流動(dòng)時(shí)所具有的能量，主要包括位置能量和動(dòng)能。位置能量也稱為勢(shì)能，是指水流由于其高度而具有的能量，與水流的高度和重力加速度成正比。動(dòng)能是指水流由于其速度而具有的能量，與水流的速度平方和水的質(zhì)量成正比。1位置能量Ep=ρgh2動(dòng)能Ek=1/2ρv^23總能量E=Ep+Ek明渠水力坡降的確定水力坡降是指水流沿渠道長(zhǎng)度方向上的水頭損失，是明渠設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。水力坡降的確定主要取決于渠道的形狀、尺寸、流量以及水流的性質(zhì)等因素。通常情況下，水力坡降隨著距離的增加而逐漸增大。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)具體的工程條件進(jìn)行計(jì)算和確定。明渠的水力特性分析水流狀態(tài)明渠的水力特性是指水流在明渠中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，包括水流的深度、速度、流量、能量等。水力損失水流在明渠中流動(dòng)時(shí)，由于摩擦阻力、彎道阻力等因素，會(huì)造成能量損失，即水頭損失。流動(dòng)模式明渠水流的流動(dòng)模式可以分為層流、過(guò)渡流和紊流，其中紊流是最常見的明渠水流模式。水力跳躍水流在明渠中流經(jīng)水深突然變化的區(qū)域，例如過(guò)水?dāng)嗝嫱蝗豢s小或擴(kuò)大，就會(huì)發(fā)生水力跳躍現(xiàn)象。明渠水流狀態(tài)的判斷水流狀態(tài)分類明渠水流狀態(tài)分為均勻流和非均勻流，均勻流指的是流速和水深沿程保持不變，非均勻流指的是流速和水深沿程發(fā)生變化。判斷方法判斷明渠水流狀態(tài)的關(guān)鍵是觀察水深和流速的變化趨勢(shì)，如果水深和流速沿程保持不變，則為均勻流，反之則為非均勻流。明渠水力跳躍的判斷11.水深變化水力跳躍發(fā)生時(shí)，水深會(huì)發(fā)生顯著變化，從較淺的躍前水深躍遷至較深的躍后水深。22.水流狀態(tài)水力跳躍前，水流通常處于急流狀態(tài)，而水力跳躍后則變?yōu)榫徚鳡顟B(tài)。33.能量損失水力跳躍過(guò)程中，由于水流的劇烈變化，會(huì)造成能量的損失。44.躍后水深公式可以通過(guò)躍前水深和流量計(jì)算躍后水深，判斷水力跳躍的存在。明渠水頭損失的計(jì)算水頭損失計(jì)算方法摩擦損失達(dá)西-魏斯巴赫公式局部損失實(shí)驗(yàn)系數(shù)和速度頭明渠水頭損失是指水流在明渠中流動(dòng)時(shí)，由于摩擦力和局部阻力而導(dǎo)致的能量損失。水頭損失主要分為摩擦損失和局部損失。摩擦損失是由于水流與明渠壁面之間的摩擦而造成的能量損失。局部損失是指水流通過(guò)明渠中的局部設(shè)施，如彎道、閥門、突然擴(kuò)大或縮小等，造成的能量損失。明渠水頭損失的計(jì)算對(duì)于明渠設(shè)計(jì)和運(yùn)行至關(guān)重要。明渠流量系數(shù)的選取流量系數(shù)是指實(shí)際流量與理論流量之比，反映了水流在明渠中流動(dòng)時(shí)的阻力損失。影響因素明渠流量系數(shù)受渠型、糙率、流速、水深等因素的影響，需要根據(jù)具體情況選擇合適的流量系數(shù)。公式計(jì)算通常采用經(jīng)驗(yàn)公式或水力模型進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)具體情況選擇合適的公式或模型進(jìn)行計(jì)算。安全裕量在實(shí)際應(yīng)用中，需要考慮安全裕量，選擇偏低的流量系數(shù)，確保明渠工程的安全運(yùn)行。明渠工程案例分析本節(jié)課將深入分析幾個(gè)典型明渠工程案例，涵蓋不同類型和規(guī)模的項(xiàng)目。通過(guò)案例學(xué)習(xí)，深入理解明渠設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中的關(guān)鍵要素和技術(shù)要點(diǎn)。明渠設(shè)計(jì)實(shí)操演練實(shí)例選擇選擇一個(gè)典型的明渠工程案例，例如城市排水系統(tǒng)或灌溉渠道。數(shù)據(jù)收集收集與案例相關(guān)的實(shí)際數(shù)據(jù)，例如地形、流量、水質(zhì)等。軟件操作使用專業(yè)軟件進(jìn)行明渠設(shè)計(jì)，例如HEC-RA